（机械电子工程专业论文）光纤布拉格光栅渗压传感技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 根据国内外统计，在交通土建，大坝堤岸及坡体滑落事故中，因渗流问题引 起的事故占4 0 以上，因此，将渗流监测作为交通路网、大坝安全监测的关键 项目，已成为国内外土木工程界的共识，研制新型渗流监测的传感器也成为亟 待解决的问题。 本文基于最新发展的光纤光栅传感技术，研制出一种新型的光纤光栅渗压 传感器。工程应用表明，光纤b r a g g 光栅传感器除具有传统电类传感器的功能 外，它还具有精度高、分布式传感、绝对数值测量、长期稳定性好、抗电磁干 扰等优点，能很好地实现对土木工程的实时、在线监测。但光纤光栅对压力的 敏感度较低，必须对b r a g g 光栅进行压力增敏和有效封装才能满足工程实际要 求。因此本文着重对光纤b r a g g 光栅压力传感器的压力增敏和封装方法进行了 深入研究。本文主要工作如下： 1 基于光纤光栅传感原理，提出了一种新的传感器设计方法。本文研究 了光纤光栅渗压传感的转换机制一传感探头的封装，它集埋设、保护、光调制 器于一体，是光栅传感技术应用于工程实际的关键：分析了光纤光栅传感器封 装的各种结构型式；确定了封装材料和封装结构，进步考察了封装结构尺寸 和光纤光栅封装方式对传感器性能的影响。 2 有效地解决了传感器研制过程中的关键工艺技术。本文成功地将光纤 埋入聚氨酯弹性体中，实现了敏感元件光栅的有效封装和压力增敏，为解决光纤 光栅传感器研制中最为困难的光栅安装固定工艺问题提供了一个新方案。研究 了适合工业应用的光纤光栅渗压传感器的封装方法和制作工艺，并对新研制的 光纤光栅传感器进行了大量实验研究，分析了传感器的各项性能指标。 3 建立了系列光纤光栅渗压传感器的设计模型。采用有限元分析软件 a n s y s 对传感器进行参数化建模、力学分析、数值模拟、结构优化等有限元分 析，为传感器的研制提供理论指导和参考。 4 取得了良好的工程应用效果。成功地将新研制的光纤光栅渗压传感器 应用于工程实际，并与常规检测仪器对比观测，取得较好的监测效果。 研究表明，采用该封装结构的光纤光栅压力传感器具备良好的重复性、线 性度和灵敏度，可以满足实际应用的要求，具有广阔的应用前景。 关键词：光纤光栅，压力传感器，压力增敏，a n s y s ，土木工程 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i co f t h ea c c i d e n t so fc i v i le n g i n e e r i n g 、d a m 、b a n k s l i d i n g ，m o r et h a n4 0 o ft h e mh a v eb e e nc a u s e db ys e e p a g e i t i s g e n e r a l l y r e c o g n i z e dt h a tt h es e e p a g em o n i t o r i n g i so n eo f k e y i t e m so ft r a f f i ca n dd a m s a f e t y m o n i t o r i n g ，a n d i t sa n i m p e r a t i v eq u e s t i o n t od e v e l o pan o v e ls e e p a g es e n s o r b a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b o ) s e n s i n gt e c h n o l o g yt h a th a sc o m ei n t o b e i n gr e c e n t l y , t h i sp a p e rh a ss t r i v e dt od e v e l o pan o v e lf b gs e e p a g es e n s o rt h a t a d a p t st oc i v i le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ss h o w t h a tt h ef b gs e n s o rh a ss o m e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g h p r e c i s i o n 、d i s t r i b u t e ds e n s i n g 、a b s o l u t ed a t at e s t i n g 、 g o o dl o n g t e r ms t a b i l i t ya n di m m u n et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n di tc a n r e a l i z er e a l t i m ea n d0 1 3 一l i n em o n i t o r i n g ，i na d d i t i o nt oh a v i n gt h es a m ef u n c t i o n sa s t h et r a d i t i o n a le l e c t r i cs e n s o r s b u tf b gh a sal o ws e n s i t i v i t yt o p r e s s u r e ，i t s n e c e s s a r yt oe n h a n c ep r e s s u r es e n s i t i v i t ya n de n c a p s u l a t ef b g a v a i l a b l ys ot h a ti t c a l l s a r i s f yt h er e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h em e t h o d so fe n h a n c i n g p r e s s u r es e n s i t i v i t y a n dt h e e n c a p s u l a t i o n t of b gp r e s s u r es e n s o rh a v eb e e n e m p h a s i z e d i nt h i st h e s i s t h em a i nt a s k sa r ca sf o l l o w ： 1 _ b a s e do nt h et h e o r yo ff i b e ro p t i c a lb r a g g ，an e w d e s i g nw a y o ft h es e n s o r h a sb e e np u tf o r w a r d t h et r a n s f o r mm e c h a n i s mo ff b g s e e p a g e - p r e s s u r es e n s o r , n a m e l yt h ee n c a p s u l a t i o no fs e n s i n gp r o b eh a sb e e ns t u d i e d ，w h i c hi n t e g r a t e s b u r y i n g 、p r o t e c t i o na n do p t i c a ls i g n a lm o d u l a t i o n ，a n d i t st h ek e yt oa p p l i c a t i o no f f b g s e n s i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e r h a sa l s oa n a l y z e ds o m e e n c a p s u l a t i o ns t r u c t u r a l t y p e so f f b gs e n s o r , h a sc o n f i r m e d t h ee n c a p s u l a t i o nm a t e r i a la n ds t r u c t u r e ，a n dh a s d e e p l yp r o b e d i n t ot h ee f f e c to f e n c a p s u l a t i o n s t r u c t u r a ld i m e n s i o na n d e n c a p s u l a t i o nm e t h o d o f f b go nt h ep e r f o r m a n c e so f t h es e n s o r 2 t h ek e yt e c h n o l o g yo f t h es e n s o rh a sb e e ne f f e c t i v e l ys o l v e d s u c c e e d i n g t oe m b e df b gi n p o l y u r e t h a n e ( p u r ) e l a s t o m e r , w h i c h r e a l i z e sa v a i l a b l e e n c a p s u l a t i o na n de n h a n c e dp r e s s u r es e n s i t i v i t yo f f b g t h i sp r o v i d e san e ws c h e m e f o rs o l v i n gt h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mi nf b gs e n s o rd e v e l o p m e n t t h em e t h o d so f e n c a p s u l a t i o na n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yh a v eb e e ns t u d i e dt oa d a p tt oi n d u s t r i a l l i 武汉理工大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d i e st o t h en o v e ls e n s o rh a v eb e e nd e v e l o p e da n dt h e d e r f c l r m a n c e so f t h es e n s o rh a v eb e e na n a l y z e d 3 t h ed e s i g nm o d e l so ft h es e r i e sf b gs e e p a g e - p r e s s u r es e n s o rh a v eb e e n b u i l t u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t ob u i l dp a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l so f t h en o v e ls e n s o r ，m e c h a n i c sa n a l y s i s 、n u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o na n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n h a v ea l s ob e e nd o n e ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a l v e r i f i c a t i o na n d r e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h es e n s o l 4 g o o d a p p l i c a t i o n e f f e c th a sb e e no b t a i n e di ne n g i n e e r i n g n e w s e n s o rh a s s u c c e s s f u l l y b e e na p p l i e dt oc i v i l e n g i n e e r i n g ，t h ec o m p a r e d t e s t sw e r em a d e b e t w e e nt h en e ws e n s o ra n dt h ec o m n l o ne l e c t r i c i t y - d e t e c t i n gi n s t r u m e n t ，a n di th a s o b t a i n e dg o o dm o n i t o r i n ge r i e c t ， s t u d i e ss h o wt h a tt h ef b g p r e s s u r es e n s o ru s e dt h i se n c a p s u l m i o nh a sg o o d r e p e a t a b i l i t y 、l i n e a r i t y a n ds e n s i t i v i t y , i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，a n d i th a sa ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t i nt h ec i v i le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：f i b e rb r a g g 伊a d n g ，p r e s s u r es e n s o r ，e n h a n c e dp r e s s u r es e n s i t i v i t y a n s y s ， ，c i v i le n g i n e e r i n g i i i 武汉理： 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 大型土木工程结构，如交通土建，水利水电，地铁隧道等，它们的使用期 长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、 腐蚀效应、材料老化及各种自然灾害等不利因素的影响，结构不可避免地产生 损伤使抗体减小，甚至导致突发事故发生。如能对在建及已建成结构进行智能 健康监测，就可以避免大型灾难事故发生，因此，土木工程的安全与健康诊断， 已经成为人们关注的焦点。在我国，三峡、水布垭等批水利工程陆续开工建 成。这些巨型的水利枢纽工程，对我国的政治、经济、军事都具有重要的战略 意义。因此，研制一些性能优越的关键传感技术，以期对这些工程的健康和运 行状况实现连续、立体、实时、可靠、有效的监测。从而克服传统监测技术的 局限性，是十分迫切和必要的。新型的光纤传感技术以其优良特性，可以适应 这一要求。 信息技术是当前引领社会发展的前沿技术，它是由信息的采集、传输和处 理技术组成，因此传感器技术、通信技术和计算机技术成为信息技术的三大支 柱，传感技术则是渗透到自然对象内部获取信息的神经中枢。随着整个信息技 术实时化、网络化、空间化的日趋发展。必然会带动作为其构成要素的传感技 术的更新改造【1 1 。光纤传感技术自2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而 迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号 的新型传感技术【z 】。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代， 光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势【3 】。 1 9 6 6 年，美籍华人科学家高锟博士在其论文【4 ，5 中首次提出了，通过改进石 英玻璃的纯度并采用带有包层材料的玻璃光学纤维，可实现远距离激光通信这 一划时代意义的设想。事隔不久，美国康宁公司便于1 9 7 0 年推出采用气相沉积 法拉制的长2 0 0 米、光损耗为2 0 分贝，千米的石英纤维【6 】。这是世界上第一根 对光纤通信具有实用价值的低损耗光纤。光纤通讯从此开始迅猛发展，光纤传 感技术的研究工作也在世界范围内的许多实验室相继展开r n 。 光纤光栅传感器是2 0 世纪9 0 年代以来国际上新兴的一种在光纤通讯、光 纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤无源器件，它具有反 武汉理工大学硕士学位论文 射带宽范围大、附加损耗小、体积小、器件微型化、抗干扰性( 如电磁场、湿 度、化学腐蚀等) 强、能与光纤很好耦合等一系列优良的性能例。自从1 9 7 8 年， 加拿大通信研究中心的k o h i l l 和他的同事首先发现光纤光敏性，采用驻波写 入法获得自感应光栅嘲。1 9 8 9 年，g m e l t z 等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅 技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化唧。到1 9 9 3 年，光纤光敏化技术的 进步和相位掩模板的使用，使光纤光栅实现批量生产。 光波在光导纤维中传播时，其表征特征参量( 振幅、相位、偏振态、波长 等) 会因外界因素( 温度、压力、磁场、电场、位移、转动) 的作用，而发 生直接或间接的变化，因而可以将光纤作为传感元件来探测周围的物理场。 正是由于光纤传感的众多优点，光纤传感器引起了不同领域研究人员的兴 趣，并且构成了一个独特活跃的研究领域，自1 9 8 3 年以来，世界光纤传感技术 大会每年召开一次。光纤传感技术目前依然是整个传感技术领域的前沿和热门 技术，对其应用研究已经扩展到石油、化工、电力、医疗，包括土木工程在内 的各个领域。 目前，在军事、航空和其它工业领域，已有光纤水声传感器、光纤陀螺、 光纤温度传感器和光纤液位传感器的等多种可靠的光纤传感器得到了实际应用 【l0 】。虽然也有一些光纤传感器应用于土木水利工程现场测试的实例，但主要还 是处于试验研究阶段。也出现了一些可应用于土木水利工程监测的光纤传感器 研制成功的报道，但这些传感器的性能还缺乏实际工程的检验。总之，还没有 一种被公认为成熟的能对土木水利工程的性能状况真正实现有效检测的光纤传 感器【l 。这固然与新技术传播和应用的内在市场准入规则有关，同时，也可以 让我们对光纤传感技术研究和应用本身存在的一些限制性因素窥见一斑。光纤 传感技术是一门新兴的技术，特别是当其应用于规模巨大、施工粗放的土木水 利工程时，必然会有许多复杂的问题需要解决，其实用化有待于实践的充分检 验、修正【1 2 , 1 3 1 。 我国对光纤传感器的需求量很大，光纤传感器的市场前景十分诱人【1 4 】。但 我国在光纤传感器的研究与开发方面，尤其是在商品化、产业化方面还远远满 足不了市场需求。与发达国家相比，光纤传感器的市场销售额占我国传感器销 售额的比例很小，特另是在光纤传感器的共性基础、中间试验和生产装备技术 方面尤为突出，影响了光纤传感器产品的产业化进程。 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心作为光纤传感技术国家重点工业 性试验基地，在光纤光栅传感器的研究方面投入了巨大人力和物力，在一些关 键的技术领域取得了重大的技术突破。现在正在进行各种光纤布拉格光栅传感 器的应用研究开发。本文研究目标是对光纤光栅传感器的实用化进行技术攻关， 针对现有光纤光栅传感器的不完善之处，找到可行的技术途径，研制出适合工 程应用的光纤光栅传感检测系统。 1 2 渗压传感测试技术的国内外研究及发展现状 1 2 1 渗压检测的重要性及常规渗压计的局限性 水库蓄水之后，大坝在上下游水位差的作用下，库水必然会渗过坝体、坝 基和坝体两端岸坡，流向下游产生渗流现象。渗流过大会使库水严重损失，降 低水库效益，甚至出现坝坡失稳、坝体和坝坡滑落等危及大坝安全的严重后果。 国内外统计资料表明，因渗流问题引起的大坝及滑坡失事事件占4 0 【15 , 1 6 】，法 国的m a l p a s s e t 混凝土拱坝和美国的t e t o n 土石坝的溃崩都是由渗流所致。 因此，为了保证大坝安全有效地运行，水库建成之后，必须对渗流进行观 测。以便及时发现问题，分析原因，及时处理，防患于未然。我国现行混凝 土大坝安全监测技术规范( 5 d j 3 3 6 8 9 ) 和土石坝安全监测技术规范 ( 5 l 6 0 9 4 ) ，都把渗流监测规定为必须项目；国际大坝委员会( u o l d ) 第6 0 号会刊大坝检测基本要求第7 7 条明确提出：“众所周知，基础中的渗流压 力和渗流量监测是最直接和最重要的安全指标、如果大坝是重力型的，则这种 监测是头等重要的。”将渗流监测作为大坝安全监测的关键项目，已在国内外坝 工界成为共识i i “。 大坝渗流监测主要包括( 1 ) 渗流压力，( 2 ) 渗流量两个方面。渗流压力的 观测，不仅是十分重要的，在大坝渗流的各项观测也最为复杂，存在的问题较 多，一些观测成果滞后、失真、异常，甚至失去应用价值，影响了对大坝渗流 的安全监控。这既与渗流仪器的安装和使用有关，也与仪器本身的性能密不可 分。目前，渗流常规检测的手段是以电测为主的系统，其典型代表是卡尔逊式 差动电阻仪。渗流水通过渗水石施加压力于感应膜片上，从而引起感应膜上的 电阻丝的变形，导致电阻发生变化，进而导致电信号的改变。 大量工程实践表明，此类渗压计存在着明显的缺陷，表现在： 1 ：精度不高，分辨率较低，并且由于受到仪器结构及电阻丝特性的限制， 武汉理工大学硕士学位论文 很难得到大幅提高。较低的分辨率，使测得的数据不能灵敏地反映渗流水头的 变化趋势，因而不能及时采取有效的防渗措施1 1 7 】。 2 由于该类渗压计核心部分的电阻应变片的基本电阻值( r 1 + r 2 = 7 0 欧) 太 低等原因，对电线及其电参数要求十分苛刻。调查研究显示，7 0 以上的该仪器 失效是源于电线，而非仪器本身的缘故。电阻值过低，往往限制了连线电缆的 长度滩以使渗压计做到复用和进行远距离遥测【l8 1 。 3 由于电式测量原理上的限制，导致这种监测技术呈现的一个最大特点 是只能做点式测量。大坝工程的复杂性和渗流空间分布的随机性而导致的渗流 分布不均匀性，常使其对大坝的整体监测无能为力，发生大量的漏检、误检【1 9 1 。 4 仪器的长期稳定性差。从渗压计本身的结构来看，由于压膜片与筒身 之间的垫圈会发生老化等原因，使用一定时间后，渗水会从膜片四周裂缝进入 简腔，从而导致传感器大量失效【2 0 】。 5 由于采用的测量信号是电信号，绝缘要求高，造成渗压计埋设较困难。 6 和一般的电式检测仪器一样，此类渗压计也存在着结构复杂，体积大， 误差源较多，信噪比不商等诸多不足之处。 1 2 2 光纤渗压传感器的基本类型 。 按照被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光纤渗压 传感器的基本类型划分为振幅调制光纤传感器、白光干涉型光纤渗压传感器、 r a m a n 散射型光纤渗压传感器。 1 ，2 2 1 振幅调制型光纤渗压传感器。” 利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量的光纤传感器，称为 振幅调制型光纤传感器。由于采用振幅调试，该压力器的优点是原理简单，信 号解调方便。缺点是： 1 信号不稳定，容易受到光波波动和光传输过程中能量损耗的影响。 2 不能复用，无法做到分布式测量。 1 2 2 2 白光干涉型光纤渗压传感器怛2 1 该渗压计是基于f a b r y - p e r o t 自光干涉原理设计的，由加拿大r o e t e s t 公司 制造的。它主要用于测量测压管水位及孔隙压力，能够安装在钻孔里、嵌入软 土里或埋入混凝土内。其结构的设计是基于对不锈钢膜的弯曲进行非接触测量， 武汉理工大学硕士学位论文 而不是常用的测量不锈钢薄膜的变形。当压力计受压时，f a b r y p e r o t 共振腔长 改变，腔长由不锈钢薄膜内璧与光纤尖端构成。通过选择传感器的材料和几何 形状，使膜片挠曲和外加压力之间保持线形关系。该传感器的优点有： 1 精度高，这是f - p 型光纤传感器的突出优点 2 可以做到绝对测量，克服了一般f - p 型光纤传感器的缺点。 3 ，传感器全部采用不锈钢焊接，没有环氧树脂，密封橡皮或其他聚合物 材料，坚固耐用，减少了卡尔逊传感器内部进水的可能性。 4 测量精度仅由干涉条纹中心位置的确定精度和参考反射镶的确定精度 决定。室内标定试验和现场试验都表明，和传统的电式传感器相比，光纤渗压 传感器具有非线形度高、滞后时间短、不重复度低。综合误差小，精度高等特 点。 它的缺点是： 1 难以复用和实现分布式钡9 量。 2 信号检测复杂，需要光源保持较低的相干长度，需要高精度的零级干 涉条纹的检测装置。 1 2 3 3r a m a n 散射型光纤渗压传感器。3 该传感技术是由德国m u n c h e n 技术大学研制的，主要用于监测土石坝坝内 渗流。其原理是利用光纤中光波后囱r a m a n 散射光中的a n t i - - s t o k e s 光的强度 对散射点温度的依赖，通过测量渗流在土石坝内引起的温度场的不规则分布， 根据渗流温度和渗流压力之间的转换关系，实现对渗流的监测。 该方法的最大的特点式实现了对渗流的分布式测量。缺点是： 1 由于采用的光强调制，测量的信号会受到光源光强和光纤传输损耗的影 响。 2 由于上游坝体的温度受到库水温度、气候等因素影响较大，同时坝基 渗水温度变化梯度较小，不能对整个坝体进行测量，只能对坝体防渗体下游的 局部区域进行测量。而对坝体上游和对土石坝稳定具有重要影响的坝基渗流压 力则不适用。 1 。2 ，3 光纤渗流传感器的发展现状 上述光纤渗流传感器虽有成型产品，可并没有被工程广泛应用，技术上的 不足限制了各自的应用。通过以上几种典型的光纤渗压传感器的分析，结合整 武汉理工大学硕士学位论文 个光纤传感器的研究现状，可以看出光纤渗流传感器的发展趋向i l 邮： 1 传感精度的不断提高。 2 由光强调制，转向相位调制，或其他更为可靠的光信号调制，如波长 调制。 3 由单点测量到分布式监测，包括多传感器的复用。 4 由工程实地测量，发展到和i n t e m e t 网或局域网以及无线传输等通信手 段结合在一起，进行远程遥测，这是目前光纤传感器发展的主要方向。 5 系统化、集成化、智能化。全光纤化或光纤与光集成器件相结合，是 光纤传感器的发展方向，是解决系统稳定性的重要途径，为此目前人们正在研 究光纤激光器( 利用掺杂光纤构成的激光器) ，光纤分光合光器件，光纤偏振 器件，光纤调制器件，光纤复用器件以及光集成元件等。 6 商品化。欲使光纤传感器在市场上有竞争力。就应提高其抗干扰能力 和长期稳定性，简化器件结构，降低成本。 1 ，3 课题的产生及主要研究内容 1 3 1 课题的确立 如何实现对渗压的高精度、远距离、分布式和长期性的绝对测量一直是工 程界孜孜不倦追求的目标。光纤光栅传感技术作为一秘先进的数字式测量技术 无可厚非的为当前渗压传感技术发展提供了良好的技术手段。在此基础上研究 开发新型光纤光栅渗压传感器，进而开发出新型光纤光栅渗压测试系统，具有 明显的社会和经济效益。 本课题是国家科技部8 6 3 项目“光纤光栅传感技术产业化研究”( 编号 2 0 0 2 a a 3 1 3 1 4 0 1 ) 的一部分。课题的研究目标是在探究光纤布拉格光栅的各种 特性的基础上，对传感探头封装材料与工艺进行研究，研制出适于工程应用的 光纤布拉格光栅压力传感器的生产技术，并组建适合工程应用的光纾光栅压力 传感检测系统。 1 3 2 课题的主要研究内容和创新点 光纤光栅传感原理已经清晰明确，光栅制作工艺也比较成熟，各种类型光 栅已商品化，价格迅速降低，其解调技术及解调产品也有相当发展。光纤光栅 用于土木工程领域中的渗压等力学量的传感检测难点在于具有工程利用潜力 武汉理工大学硕士学位论文 的转换机制。所谓转换机制，即将力学量转换为光学量的载体。对于光纤光栅 型渗压传感器而言，就是专用的封装壳体，它把渗压转换为光纤轴向应变，从 而转化为b r a g g 波长移动，兼具光纤保护和埋设功能。本文的重点在于光纤光 栅渗压传感器封装的结构分析，力学分析，数值模拟，材料结构优化，工艺试 验以及光纤光栅在封装壳中安装固定的试验研究。 有限元理论和方法，已经被广泛引入到现代结构设计和分析当中。有限元 分析方法，也是光纤结构检测中常用的主要的方法之一。其分析结果，通常为 光纤传感器的检测提供理论上的验证或参考。本文运用有限元方法，对光纤光 栅渗压传感器的封装结构的力学行为以及封装体的结构优化进行了深入分析。 本课题研究采取与实际工程应用试验相结合的研究方法。依托武汉理工大 学“光纤传感技术国家重点工业性试验基地”的有关工业试验条件，开展工业 化生产试验，以解决工业化规模化生产的一系列技术与装备问题。 本论文以研究新型光纤光栅渗压传感技术为线索，确立光纤光栅渗压传感 器的一般设计方法，研制多种应用背景下的新型光纤光栅渗压传感器。本文的 主要研究工作如下： 1 介绍了光纤b r a g g 光栅传感的基本原理、影响光纤b r a g g 光栅波长改 变的主要因素、光纤b r a g g 光栅解调基本原理以及光纤b r a g g 光栅传感系统的 信号解调技术，组建了比较完整的光纤光栅传感检测系统，并简要介绍了分布 式光纤光栅传感网络。 2 基于光纤光栅传感原理，提出了一种新的传感器设计方法。本文研究 了光纤光栅渗压传感的转换机制一传感探头的封装，它集埋设、保护、光调制 器于一体，是光栅传感技术应用于工程实际的关键。分析了光纤光栅传感器封 装结构的各种结构型式；确定了封装材料和封装结构，进一步考察了封装结构 尺寸和光纤光栅封装方式对传感器性能的影响。 3 有效地解决了传感器研制过程中的关键工艺技术。将光纤成功埋入了 聚氨酯弹性体中，实现了敏感元件光栅的有效封装和压力增敏，为解决光纤光 栅传感器研制中最为困难的光栅安装固定工艺问题提供了一个新方案。研究了 适合工业应用的光纤光栅渗压传感器的封装方法和制作工艺，并对新研制的光 纤光栅传感器进行了大量实验研究，分析了传感器的各项性能指标。 武汉理工大学硕士学位论文 4 建立了光纤光栅渗压传感器的设计模型。采用有限元分析软件a n s y s 对传感器进行有限元分析，并对传感器进行了力学分析，数值模拟，结构优化， 为传感器的研制提供理论指导和参考。 5 取得了良好的工程应用效果。成功地将新研制的光纤光栅渗压传感器 应用于工程实际，并与常规检测仪器对比观测，取得较好的监测效果。实验和 工程表明，这种传感器不仅适用于水压等液压等领域，还可用来测量气压。 6 对本课题的研究工作进行了总结并对以后的研究工作提出一些建议。 本文的主要创新点表现在以下几个方面： 1 光纤光栅渗压传感器在国内还属于起步阶段，尚无系统完整的研究， 它属于全新的研究领域，本文提出了一种新的设计方法。 2 有效解决了封装工艺的关键技术，实现了敏感元件光纤光栅的封装保 护、压力增敏和光调制三位于一体的功能，为解决光纤光栅传感器研制中最为 困难的光栅安装固定工艺问题提供了一个新方案。 3 运用a n s y s 有限元对传感探头进行力学分析和结构优化，为传感器 的研制提供理论指导和参考。 4 把新研制的传感器应用于实际工程，实现了理论研究和工程实际相结 合，为进一步工业化试验研究提供参考。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章光纤布拉格光栅传感原理 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 及其同事在实验中观察到氖离子激光在光纤中 相向传输形成驻波时，在光纤中形成折射率周期分布的光栅畔l 。这种周期分布 的光栅也称作“h i l l 光栅”，在光纤中作为布拉格反射器使用。它可将满足布拉 格条件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。 光照除去后，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到1 0 0 ， 带宽却很窄。 1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人发明了紫外侧写入技术，他们利用两束干涉的 紫外光从光纤的侧面写入了光栅【2 ”。这项技术不仅大大提高了光栅的写入效 率，而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控制布拉格波长的目的。紫 外侧写入技术问世后世界各国对光纤光栅及其应用研究迅速开展起来，光纤光 栅的制作及光纤光敏化技术不断发展。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人提出了位相掩模写入技术，利用紫外激光经过位相 掩模衍射后的1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光栅口“。此技 术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容 易，并使得光纤光栅的批量生产成为可能。同年r j l e m a i r e 等人提出了一种提 高光纤敏感性的简单有效方法低温高压载氢技术【2 ”。他们将光纤浸入2 0 - - 7 5 0 个大气压、2 0 7 5 的氢气中使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部。 然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤敏感性提高近两个数量级。载 氢技术极大地降低了光纤光栅的制作成本，人们可以不必使用价格昂贵的高浓 度掺锗光纤，在普通通信光纤上就可以很容易地写制出高反射率的光纤布拉格 光栅。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善。世界各国掀起了光纤光栅技术研究的 热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现，光纤光栅被广泛应用 于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域【2 8 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 。2 光纤光栅的结构 图2 - l 光纤光栅基本结构 图2 1 为光纤光栅的结构图 2 9 1 ，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的 周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生 大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂( 通 常是掺锗) ，使芯层折射率n i 比包层折射率n 2 大，从而形成波导。光就可以在 芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光 栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相 位相匹配的窄带光口o j ( 带宽通常约为0 i t o 5 n m ) 。这样，光纤光栅就起到了 光波选择反射镜的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先是由威廉布 拉格爵士给出的，因而这种光纤光栅被称为光纤布拉格光栅( f b g ) ，反射条件 兢称为布拉格条件。只有满足布拉格条件的光波才能被光纤光栅反射，所谓相 位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间周期a 和调制的幅度大小， 用数学公式表示如下【4 j ： a 8 = 2 八 ( 2 1 ) 五。为光栅的布拉格波长，门咿为光栅的有效折射率( 折射率调制幅度大小 的平均效应) ，a 为光栅条纹周期( 折射率调制的空间周期) 。 以上为折射率调制周期为均匀的情况，如果芯层折射率调制周期不均匀， 特别是调制周期沿光纤轴线线性变化，则反射光为宽带光，这种光纤光栅称之 为啁啾光纤光栅 3 l l 。 对公式( 2 1 ) 取微分得： 如= 2 n a + 2 人 ( 2 2 ) 0 武汉理工大学硕士学位论文 从式中可以看出，当n e f f 或人改变时，中心反射波长会相应的发生改变。光 纤光栅传感的基本原理是( 参见图2 - 2 ) ：当光栅周围的温度、应变、应力或其 它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期l 或纤芯折射率，坳的变化，从而使 光纤光栅的中心波长产生位移知，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得 待测物理量的变化情况。 入射光谱 - - - - _ e 一 反射光诺 i i ( a ) 射光谱 c b ) 反射光谱 透射光谱 红，红 透觎遣c d ) 麟 图2 - 2 光纤光栅传感检测原理 2 3 光纤光栅传感的基本原理 2 3 1 光纤光栅的温度特性 当温度发生变化( t ) 时， 变其光栅周期，可以表示成吲： a a ：= a a t a 一方面由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而改 ( 2 3 ) 式中口为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，a 取值5 5 1 0 1 。另一 方面由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示成： a n e f f ：= 1 d n , sd v at(2-4) ”盯即咿d v d t 式中v 为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决 于热光效应，它占热漂移的9 5 左右，可以表示成： b 武汉理工大学硕士学位论文 ，：一上堕坐 n 够d vd t ( 2 5 ) 亭称之为热光系数。硅纤中f = 6 6 7 1 0 “。所以温度对光纤光栅波长漂 移总的影响为： 全至：( 口+ 亭) r ( 2 - 6 ) 口 2 3 2 光纤光栅轴向应力特性 当外界轴向应力作用于光纤光栅上时，一方面使光纤光栅被机械性的拉长 而改变其光栅常数，可以表示为p 2 】： 化 a a 2 s x ( 2 7 ) 其中毛为考察点处轴向应变，同时弹光效应使得光纤光栅折射率发生变 ：丝譬笋型殳 对式( 2 8 ) 两端同时除以竹够可得： 垃：堑堕= 当兰丝。： n 盯 2 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 其中p 。j ( j = 1 ，2 ) 为p o c k e l 系数，y 是p o j s s o n 比，定义有效弹光系数n ： a ：堑：堕二堂! 型 2 ( 2 一l o ) 硅纤中p e = o 2 2 ( 光纤光栅的光学参数参见附录一x 所以式( 2 一l o ) 可以表示为： 垃：一r e q n e f f ( 2 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 这两种作用的总贡献为： 孥：( 1 一只) 如、 对于石英光纤，可取俺= o 2 2 ，则有： 孥：o 7 8 九 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由a 2 。可很方便地求出外界轴向应变f 。实际应用中，s ，是很小的量，可 以引入应变量的1 1 0 。6 即“e ，作为应变量的度量单位。 2 3 3 光纤光栅的横向应力特性 当横向应力变化( p ) 时，光纤光栅的反射波长也会发生变化，可表示 成f 3 2 】： 警：4 坠+ _ 10 n ，a p( 2 - 1 4 ) 2 。ao pho p l 、 又因为 ， a a ( 1 2 v ) 一一 a pe 堕：堑( 1 2 y ) ( 2 只：+ 最，) n , g a p 2 e 、 。、121 。 把式( 2 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 1 4 ) 得： _a28：【一坠+堕(12v)(2e2+舢廿e2 e 五d 、八 “，j ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 当光纤光栅受温度、轴向应力和横向应力这三个物理量同时作用时，总漂 移量可表示为： 武汉理工大学硕士学位论文 竽：( 1 一髓，m 瑚川一半+ 器( 1 功) ( 2 只：塥) p ( 2 郴) 7 增 一一 1 5 5um 时应变和温度引起光纤光栅反射波长漂移的典型值分别为 1 1 5 p m u 和大约1 3p m o c ，而横向压力引起的波长漂移典型值为3 1 3 p m m p a 。可见光纤光栅传感器对横向压力不太敏感，除非用来测高压或者波长 分辨率极高的装置，或者借助某种装置将横向压力转化为对光纤光栅作用的应 力。 2 4 光纤光栅解调技术 解调技术是光纤布拉格光栅传感的关键技术之一，所谓解调技术即是对波 长漂移进行精确测量的技术。对b r a g g 波长解调的传统手段是使用光谱仪、单 色仪等仪器。但是这类仪器不仅价格昂贵而且体积庞大，构成的系统缺乏必要 的紧凑性和牢固度，在一个面向实际应用的传感系统中采用这类仪器检测光纤 光栅的波长位移是极不现实的。为了开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光 栅传感器信号解调系统，近年来国内外开展了许多研究工作，并取得了令人注 目的进展。新型的波长编码解调技术得到了较大的发展，已有多种新型的解调 系统出现在工程应用中。 光纤光栅解调常用的方法有：非平衡m a c h z e h n d e r 干涉检测、可调光 纤f a b r y p e r o t 滤波器和匹配光纤布拉格光栅滤波解调。 2 4 1 非平衡m a c h z e h n d e r ( m _ z ) 干涉检测 这种方法是在1 9 9 2 年，由a d k e r s e y 等人提出【3 3 1 。当一定中心波长的光 波通过非平衡光纤干涉仪时，将产生与波长成反比的相位差，借此可测量相应 的光波长。图2 3 所示为非平衡m z 光纤干涉仪示意图。 宽带光源经耦合器入射到光纤光栅传感器，可设计为测量不同物理量 的传感元件。光纤布拉格光栅反射光经两个耦合器进入不等臂长的 m a c h z e h n d e r 干涉仪，两臂光程差为n d 。此时，可认为光纤布拉格光栅反 射光为干涉仪的光源，由干涉仪原理可知，当输入光波长变化旯时，其输 出相位变化为： a e ( , z ) = 2 r c n d 等( 2 1 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 通过检测aa 的值可知应变的大小。考虑到直流分量产生的漂移对测量 的结果影响相对较大，所以在干涉仪中引入了相移补偿反馈系统，驱动p z t 膨胀，从而使缠绕于其上的光纤伸长，抵消直流零漂。 3 d b 传f b 感g 图2 3 非平衡m z 干涉检测 l _ 一光源：d 光探测器；a 差放 非平衡m z 干涉仪法仅适合于相对测量，而不能用于绝对测量。由于非平 衡m z 干涉仪受环境干扰